2 3 ' ' 4 2 · c ( . ! * 2 !(9 2 / % '%

#digitaleBildung

Programmieren lernen mit BOB3Lernbegleitheft + Arbeitsblätter - Sekundarstufe IEinführung in die textuelle Programmierung mit dem Roboter BOB3

Modul 3

INFORMATIK

Funktionen & Sensorik

Dieses Dokument steht unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 Inter national (CC BY-SA 4.0) Lizenz. Autor: Katja Bach. Herausgeber: www.bob3.org, Stolberg, 2020. DIGITALE BILDUNG: Programmieren lernen mit BOB3, Begleitheft

ir ir

Modul 3

Dieses Dokument dient zur Übersicht des Kurses „Programmieren lernen mit BOB3“ für die Sekundarstufe I. Es werden die Lehr- und Lernmaterialien, die benötigten Zeiteinheiten und Vorschläge für konkrete Unterrichtseinheiten gegeben. Im Folgenden ist eine Unterrichtseinheit für 45 min ausgelegt.

Programmieren lernen mit BOB3 – Modul 3

Seite 2www.bob3.org

Modul 3 umfasst insgesamt 12 Unterrichtseinheiten mit je ca. 45 Minuten

Lehrerbegleitheft mit Konzepten und Ablaufplänen der einzelnen Einheiten

25 Programmier-Mikrolerneinheiten: Die Schüler vertiefen das Prinzip und die Anwendungsmöglichkeiten von Variablen und setzen das erlernte Wissen in kleinen Programmbeispielen um. In verschiedenen Experimenten mit den Multifeld-Touch-Sensoren verwenden sie Variablen, um die

jeweils aktuellen Sensorwerte abzuspeichern und während des Programmablaufs zur Verfügung zu stellen. In diesem Zusammenhang beschäftigen sie sich intensiver mit der genauen Funktionalität der Sensoren und setzen sich mit dem Zeit-Multiplex-Verfahren auseinander. Als weitere Kontrollstrukturen lernen die Schüler ‚Switch-Case-Verzwei- gungen‘ und ‚While-Schleifen‘ kennen und vertiefen ihr Wissen zur Kontrollstruktur ‚if / else‘ anhand einer Leistungsüberprüfung. Die Schüler erlernen den Sinn und Zweck von Funktionen und erarbeiten den Unterschied von Funktionen mit und ohne Parameter. In verschiedenen Experimenten mit dem IR-Sensor werden Funktionen mit Rückgabewert konkret zur Auswertung eingesetzt. In diesem Zusammenhang erwerben die Schüler weiteres Wissen zur Funktionalität des IR-Sensors, insbesondere zum Reflexionsverfahren. Anschließend definieren die Schüler eigene Funktionen und diskutieren das aus diesen Möglichkeiten resultierende Potential. Zum Abschluss der Lerneinheit werden offene Aufgaben, wie z.B. die Programmierung eines Parksensors angeboten.

Arbeitsblatt 9 - „Variablen“ + Lösungen zum AB 9

Arbeitsblatt 10 - „Touch-Sensoren“ + Lösungen zum AB 10

Arbeitsblatt 11 - „Switch-Case“ + Lösungen zum AB 11

OER-Materialien: http://www.bob3.org/mintHauptseite der Lerneinheiten: http://www.progBob.org

Funktionen & Sensorik

Übersicht Modul 3:

Arbeitsblatt 12 - „Funktionen“+ Lösungen zum AB 12

Arbeitsblatt 13 - „While-Schleife“+ Lösungen zum AB 13

Arbeitsblatt 14 - „IR-Sensor“+ Lösungen zum AB 14

1. UnterrichtseinheitIn der ersten Unterrichtseinheit vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen zur Theorie und Anwendung von Variablen. Sie arbeiten mit den Multifeld-Touch-Sensoren der Arme von BOB3, deklarieren sich in diesem Zusammenhang Variablen vom Datentyp Integer und lernen, was die Zuweisung eines neuen Wertes bedeutet.


Seite 3www.bob3.org

Zeitbedarf: ca. 45 min

Vorkenntnisse: BOB3 Modul 1+2

Material: Papier, Stift, Arbeitsblatt 9 PC/Laptop/Tablet, BOB3 mit Helm/Dock

Ablauf Die Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt 9 und lernen die Eigenschaften, das Konzept und die Anwendungsmöglichkeiten von Variablen kennen:

„Eine Variable ist ein Speicherort für Zahlen, Zeichen oder sonstige Daten“

Die SuS lernen, wie Variablen definiert werden und welche Eigenschaften (Name, Datentyp) sie haben. Die Schüler arbeiten zunächst nur mit dem Datentyp Integer und lernen, dass dieser für ganze Zahlen verwendet wird. Um eine Variable zu deklarieren, also neu einzuführen, schreibt

man für eine Integer Variable das Schlüsselwort int gefolgt von dem Variablen-Namen und einem Semikolon. Nach der Deklaration einer Variablen wird ihr Name und ihr Datentyp nicht mehr verändert, der jeweils gespeicherte Wert ist jedoch veränderbar!

int temperatur;Name

Typ

Im Gegensatz zu Konstanten sind Variablen variabel! Die Schüler lernen, dass der Wert einer Variablen beliebig oft geändert werden kann. Dieses Konzept und die Funktionsweise von Variablen kann durch folgendes Tafelbild veranschaulicht und zusammen mit den Schülern erarbeitet werden:

Anschließend bearbeiten die SuS die Aufgaben 1 – 6 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen.

Die Schüler loggen sich mit ihren jeweiligen Accounts auf der Seite http://www.ProgBob.org ein und starten das „Intro III“-Kapitel:


Seite 4www.bob3.org

!! Wichtig: erneutes Einloggen mit bereits vorhandenen Daten über „Login“ !!

Die Schüler bearbeiten die erste und die zweite Lerneinheit und vertiefen mit einem kurzen Beispiel zur Ansteuerung der Arm-Sensoren das zuvor erworbene Wissen:

In der Lerneinheit wird zunächst ein Programmteil zur Abfrage von Arm 1 vorgegeben, der von den Schülern ausprobiert wird. Sobald Arm 1 berührt wird, soll LED3 eingeschaltet werden. Hierfür wird eine Integer Variable wert1 deklariert, die den jeweils aktuellen Wert des Sensors Arm 1 zugewiesen bekommt. In Zeile 13 des Programms wird die Variable innerhalb einer if-Abfrage verwendet, um zu entscheiden, ob LED3 eingeschaltet wird oder nicht.


Seite 5www.bob3.org

In der Aufgaben-Einheit des zweiten Teils bekommen die SuS die Arbeitsanweisung, das Programm so zu ergänzen, dass eine weitere Integer Variable die Sensorwerte von Arm2 speichert. Um anzuzeigen, ob Arm2 berührt wird oder nicht, programmieren die Schüler ab Zeile 20 selbständig den fehlenden Quellcode und verwenden hierbei ihre neu eingeführte Variable.

2. + 3. UnterrichtseinheitIn der zweiten und dritten Unterrichtseinheit bearbeiten die Schülerinnen und Schüler die Lerneinheiten drei, vier und fünf des „Intro III“-Kapitels, die sich ebenfalls mit den Multifeld-Touch-Sensoren und Variablen beschäftigen. Sie experimentieren mit verschiedenen Programmen und vertiefen insbesondere ihre Kenntnisse über Rückgabewerte von Methoden. Als Anwendung des Gelernten bietet die fünfte Lerneinheit das Programm „Intelligente Taschenlampe“, bei dem die Schüler ihr Wissen über Variablen und ‚if-else‘-Strukturen vertiefen.


Seite 6www.bob3.org




Ablauf Die Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt 10 und lernen die technischen Hintergründe der Multifeld-Touch-Sensoren und deren Ansteuerung über die Methoden der Software-Bibliothek kennen und vertiefen:

„Bob‘s Arme sind Multifeld-Touch-Sensoren, die aus Mess- und Aktivierungsfeldernbestehen und mit dem Zeit-Multiplex-Verfahren angesteuert werden.“

Die SuS lernen, aus welchen Bestandteilen die Sensoren aufgebaut sind und wie diese angesteuert werden. Das Zeit-Multiplex-Verfahren ist eine

touch

touch

touch

touch

touch

touch

Methode zur Signalübertragung, die verwendet wird, um viele Signale an wenigen Eingängen des Mikrocontrollers anzuschließen. Dabei teilen sich mehrere Signale einen Eingang: Der Controller von BOB3 hat zwei Eingänge, einen für Arm 1 und einen für Arm 2, die Arme können jedoch an insgesamt sechs verschiedenen Stellen angefasst werden und liefern also sechs Signale!Jeder Arm besteht jeweils aus fünf Feldern: 3 Aktivierungsfelder (A, B, C) und 2 Messfelder. Sobald ein Aktivierungsfeld gleichzeitig mit einem Messfeld berührt wird, bekommt der Bob ein Signal, ob Feld A, Feld B oder Feld C berührt wurde.


Seite 7www.bob3.org

Die Schüler bearbeiten die Aufgaben 1 – 5 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen.

Zur Ansteuerung der Armsensoren stehen in der Software-Bibliothek des BOB3 fertig implementierte Methoden zur Verfügung. Die Methode bob3.getArm(id) liefert den aktuellen Wert des jeweiligen Sensors und hat somit vier verschiedene mögliche Rückgabewerte und zwei mögliche Parameter:

Falls die SuS im Anschluss an die Lerneinheiten von Intro II das Kapitel ‚Freundschaftstester‘ bearbeitet hatten, kann an dieser Stelle noch thematisiert werden, dass mit der Methode bob3.enableArms(ARMS_DETECTOR) die Sensoren z.B. für den verwendeten Friend-Detection-Mode aktiviert bzw. deaktiviert werden. Dies ist ein anderes Verfahren, bei dem die Leitfähigkeit der Finger gemessen wird: Alle Aktivierungsfelder werden hierbei gleichzeitig aktiviert und an den beiden Messfeldern wird der Stromfluss gemessen.

Kombi-MessfeldArm 2

Feld A

Feld B

Feld C

Rückgabewert 0 1 2 3

Bedeutung Keine Berührung Berührung oben Berührung mittig Berührung unten

id 1 2

Sensor Arm 1 Arm 2

In der dritten und vierten Lerneinheit soll die genaue Position der Berührung detektiert werden. Je nachdem, ob der Arm oben, mittig oder unten berührt wird, soll Bob unterschiedlich reagieren. Die Schüler arbeiten mit der Methode bob3.getArm() und können mit verschiedenen Rückgabewerten und Parametern experimentieren.


Seite 8www.bob3.org

Die SuS starten den Webbrowser, gehen auf die Seite http://www.ProgBob.org, loggen sich mit Ihrem Account ein und gehen zum „Intro-III“-Kapitel:

„Login“

Als Beispiel aus der eigenen Erlebniswelt sollen die Schüler nun mit dem erlernten Wissen eine ‚Intelligente Taschenlampe‘ programmieren. Dabei soll Arm 1 wie ein Schieberegler bedient werden: Wird der Arm nur oben berührt, dann sollen erstmal nur beide Augen in weiss eingeschaltet werden. Bei mittiger Berührung geht eine weitere LED weiss an, die volle Helligkeitsstufe wird erreicht, wenn der Sensor unten berührt wird, dann sind alle Lampen an!


Seite 9www.bob3.org

Die SuS implementieren das Programm unter Verwendung einer ‚if-else if-else‘-Struktur, einer Integer Variablen zur Speicherung des Sensorwertes und der Methode bob3.getArm(id). Sie vertiefen hierbei den Sinn und die Anwendung von Variablen und den Umgang mit Parametern und Rückgabewerten von Methoden. Durch die begreifbare und anwendungsorientierte Aufgabenstellung und das direkt überprüfbare Feedback an der konkreten Hardware stellt sich ein motivierender Lernerfolg ein.

4. + 5. UnterrichtseinheitIn der vierten und fünften Unterrichtseinheit bearbeiten die Schülerinnen und Schüler eine Leistungsüberprüfung (Lerneinheit 6) und die Lerneinheiten sieben und acht des „Intro III“-Kapitels, die sich mit der Programmierstruktur ‚Switch-Case‘ beschäftigen. Sie lernen, in welchen Fällen eine Switch-Case Verzweigung einer ‚if-else‘ Verzweigung vorzuziehen ist und wie diese implementiert wird. In der Leistungsüberprüfung programmieren die Schüler Bob als Obstsortiermaschine, wobei sie selbständig eine Variable deklarieren und ihr den Rückgabewert aus einem Methodenaufruf zuweisen. Vervollständigt wird das Programm durch eine ‚if-else‘ Struktur für die Sortierung.


Seite 10www.bob3.org




Ablauf Die SuS starten den Webbrowser, gehen auf die Seite http://www.ProgBob.org, loggen sich mit Ihrem Account ein und gehen zum „Intro-III“-Kapitel:

„Login“

Die Schüler wählen Teil sechs des Intro-III Kapitels, lesen die Aufgabenstellung zur Programmierung der Obstsortier-maschine und erarbeiten eine Lösung.

Lernziele:

1) Aufgabenstellung algorithmisch umsetzen

2) Integer Variable deklarieren3) Armsensor mit passender Methode

abfragen4) Rückgabewert in Variable speichern5) If-else if- else Struktur anwenden6) Vergleichsoperatoren anwenden7) LEDs farbig ansteuern



Die Schülerlösung wird automatisch geprüft und zählt als bestanden, sobald die Aufgabenstellung korrekt gelöst wurde und das Programm compiliert.

Leistungsüberprüfung

Die Schüler bearbeiten die Aufgaben 1 – 7 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen.



Die Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt 11 und lernen die Kontrollstruktur ‚switch-case‘ als Verzweigung kennen, die dazu dient, viele verschiedene Fälle zu unterscheiden:

„Eine switch-case-Struktur ist eine Verzweigung“

Die Kontrollstruktur wird mit dem Schlüsselwort switch eingeleitet, es folgen die verschiedenen Fälle (case) und die jeweils auszuführenden Anweisungen. Die Schüler lernen die Verwendung von break-Anweisungen und des optionalen default-Zweigs.

Aufgabe 1 und Aufgabe 2 wiederholen die Theorie, Aufgabe 3 und Aufgabe 4 intensivieren das Gelernte mit Quellcode-Fragen und die Aufgabe 5 liefert ein konkretes Anwendungs-Beispiel: Die Schüler sollen zunächst herausfinden, was das Programm bewirkt und beantworten dazu passende Fragen.

Anschließend bearbeiten die Schüler die Lerneinheiten sieben und acht des Intro-III Kapitels. Im ersten Teil wenden sie ihr erworbenes Wissen zur neuen Programmierstruktur an. Das Quellcode-Beispiel verwendet eine Integer Variable wert1, um den Rückgabewert der Methode bob3.getArm(1) zur Abfrage von Arm 1 zu speichern. In der folgenden ‚switch-case‘-Verzweigung wird pro möglichem Rückgabewert ein Fall (case) erzeugt, so dass je nach Rückgabewert verschiedene Aktionen ausgeführt werden. Je nachdem wo Arm 1 berührt wird, wird das Auge 1 in einer anderen Farbe eingeschaltet. Die Schüler lernen, dass jeder Zweig mit einer break-Anweisung abgeschlossen wird und was die Anweisung zur Folge hat!



In der Lerneinheit acht wird der Anforderungsbereich II umgesetzt: Die Schüler haben den existierenden Programmcode für Arm 1 getestet und verstanden und transferieren dies, um nun selbständig den Algorithmus für den Arm 2 zu programmieren. Sie verwenden eine neue Integer Variable wert2 und speichern den Rückgabewert der Methode bob3.getArm(2) in dieser Variablen ab. Die folgende switch-case Struktur verzweigt dann anhand des jeweiligen Wertes der neuen Variablen.

UmsetzungAnforderungsbereich II

6. + 7. UnterrichtseinheitIn der sechsten und siebten Unterrichtseinheit beenden die Schülerinnen und Schüler das „Intro III“-Kapitel, sie bearbeiten die Lerneinheiten neun, zehn und elf und das Arbeitsblatt 12. Lernschwerpunkte sind hierbei Funktionen, Funktionen mit Rückgabewerten, Funktionen mit Parametern und die Definition eigener Funktionen. Die Schüler lernen, wie sie eine eigene Funktion definieren können, wie sie diese aufgerufen können und welche Möglichkeiten sich hieraus ergeben. Mittels kleiner Experimente werden Blitzlichter erzeugt, wobei eine Funktion mit Farben als Parametern bunte Blitzlichter erzeugt. Anhand der Software-Bibliothek von BOB3 werden die Schlüsselworte void und int bei Funktionendefinitionen erläutert und den Schülern wird der Unterschied zwischen Funktionen und Methoden verdeutlicht. Zum Abschluss der Lerneinheit erarbeiten die Schüler ein komplexeres Programm, das unter anderem einen eigenen Blitzlicht-Gewitter-Generator verwendet.






Ablauf Die SuS starten den Webbrowser, gehen auf die Seite http://www.ProgBob.org, loggen sich mit Ihrem Account ein und gehen zum „Intro-III“-Kapitel:

„Login“

Zunächst probieren die Schüler das bestehende Programm-Beispiel aus: BOB3 soll mit allen LEDs eins weißes Blitzlicht machen. Für dieses Blitzlicht wird eine eigene Funktion blitz() definiert, damit man anschließend ohne viel Tipparbeit auch z.B. ein 8-faches Blitzlicht erzeugen kann. Die Schüler lernen, an welcher Stelle im Programm die Funktion definiert wird und wo und wie sie aufgerufen werden kann.



Die zugehörige Wissensabfrage-Einheit thematisiert die Frage, an welchen Stellen im Programm die Funktion aufgerufen werden kann. In der folgenden Lerneinheit vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen zu Rückgabewerten von Funktionen und vergleichen die schon bekannte Methode bob3.getArm() mit der neuen Funktion blitz() anhand der definierten Schlüsselwörter int und void. Die Schüler lernen, dass Funktionen, die sich auf ein Objekt beziehen, Methoden genannt werden und dass Bob‘s Funktionen Methoden heißen, da er im programmiertechnischen Sinne ein Objekt ist.

Konzept von Funktionen durch eigenes

Experimentieren erkennen

In der folgenden Lerneinheit definieren die Schüler eine neue Funktion blitzViolett(), die ein violettes Blitzlicht erzeugen kann und rufen diese innerhalb der loop()-Funktion auf. Das Lernziel hierbei ist zu vertiefen, dass Funktionen ohne Rückgabewert mit dem Schlüsselwort void definiert werden. Daher werden bei der Funktion blitzViolett() nur die definierten Anweisungen ausgeführt, der Aufruf der Funktion liefert keinen Wert zurück. Die anschließende Lerneinheit thematisiert Funktionen mit Parametern, die Schüler definieren eine neue Funktion blitzFarbe(int farbe), die eine beliebige Farbe als Parameter übergeben bekommt. So lernen die Schüler in diesem Experiment, wie sie Funktionen mit Parametern richtig definieren und wie sie damit Blitzlichter in allen Farben erzeugen können.



Um die neuen Konzepte weiter zu vertiefen vergleichen die Schüler in diesem Zusammenhang die neu definierten Funktionen mit bereits bekannten Funktionen und Methoden, wie z.B. der delay() Funktion oder der Methode bob3.getArm(). Hierbei wird deutlich, dass die Methode bob3.getArm() mit dem Schlüsselwort int definiert wird, also einen Integer Zahlenwert

zurückliefert. Die Schüler sollen diskutieren, warum das Sinn macht und warum es sinnvoll ist, dass z.B. delay() als void definiert wird.



Die Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt 12 und lernen das Konzept und die Verwendung von Funktionen kennen:

„Was sind Funktionen?“

Definition der Funktion backeEinenPfannkuchen ()

Aufrufe anderer Funktionen

void backeEinenPfannkuchen () { fettePfanneEin(); mixeTeig(); tuePortionInPfanne(); warteBisBraun(); drehePfannkuchenUm(); warteBisBraun(); serviereDenPfannkuchen();}

Die Schüler erlernen, dass Programme mittels Funktionen in einzelne Teilbereiche/Teilprobleme gegliedert werden können. Jede Funktion übernimmt eine bestimmte Aufgabe und kann selber auch wieder in verschiedene Teilbereiche zerlegt werden. Die Programme werden so strukturierter und übersichtlicher, zusätzlich ersparen Funktionen jede Menge Tipparbeit!

Dieses Konzept wird zunächst mit einem Beispiel aus der Erlebniswelt der Schüler vermittelt: Mal angenommen, man möchte einen Pfannkuchen backen, dann muss man einzelne Teilprobleme lösen: Man muss zuerst die Pfanne einfetten, dann den Teig mixen, eine Portion Teig in die Pfanne tun, kurz warten, bis der Teig braun ist, den Pfannkuchen wenden, wieder kurz warten und dann kann man den Pfannkuchen servieren! Für jedes dieser Teilprobleme definiert man sich eine eigene Funktion, z.B. die Funktion warteBisBraun ():

void warteBisBraun () { while (guckUnterPfannkuchen () != braun) { warte (1 min); }}

void backeEinenPfannkuchen () { fettePfanneEin(); mixeTeig(); tuePortionInPfanne(); warteBisBraun(); drehePfannkuchenUm(); warteBisBraun(); serviereDenPfannkuchen();}

Die Funktion warteBisBraun () löst die Teilaufgabe des eigentlichen Backvorgangs des Pfannkuchens: Man schaut unter den Pfannkuchen und solange die Funktion guckUnterPfannkuchen() zurückliefert, dass dieser noch nicht braun ist, wird eine Minute gewartet.In der Hauptfunktion backeEinenPfannkuchen() wird die Funktion warteBisBraun() dann zweimal aufgerufen, um den Pfannkuchen von beiden Seiten zu backen:



Die Schüler bearbeiten die Aufgaben 1-6 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen. Aufgaben eins bis fünf thematisieren ‚Was ist eine Funktion?‘, ‚Welche Vorteile bietet eine Funktion?‘, ‚Welche der folgenden Funktionen/Methoden haben einen Rückgabewert?‘, ‚Ordne die folgenden Funktionen/Methoden aufsteigend anhand der Anzahl ihrer Parameter.‘ In der sechsten Aufgabe bekommen die Schüler die Arbeitsanweisung die im einleitenden Beispiel backeEinenPfannkuchen() verwendete Funktion mixeTeig() selber zu definieren:

Lerninhalte des „Intro III“-Kapitels:

● SuS intensivieren das Verständnis und die Verwendung von Variablen● SuS entdecken experimentell weitere Sensoren, steuern diese an und werten die

Daten aus:● Multifeld-Touch-Sensoren -> technisches Verständnis, Sensorwerte abfragen,

abspeichern und verarbeiten, Zeit-Multiplex-Verfahren, Aufbau der Sensoren, Ansteuerung mittels Software-Bibliothek

● IR-Sensor -> technisches Verständnis, Veranschaulichung des Messverfahrens mittels Oszilloskop, Sensorwerte auslesen, abspeichern und verarbeiten, Reflexions-Verfahren, Aufbau der Sensoren, Ansteuerung mittels Software-Bibliothek

● SuS lernen die switch/case Verzweigung als neue Kontrollstruktur kennen und anwenden● SuS vertiefen die Kontrollstruktur ‚if/else‘ anhand einer Leistungsüberprüfung● SuS lernen das Konzept von Funktionen kennen und unterscheiden Funktionen mit und

Funktionen ohne Parameter● SuS erlernen Funktionen mit und ohne Rückgabewert zu unterscheiden ● SuS verwenden Funktionen mit Rückgabewert mittels Sensorik● SuS definieren eigene Funktionen und verstehen das resultierende Potential

Zum Abschluss der Lerneinheit programmieren die Schüler ein Programm, das einen Blitzlicht -Gewitter-Generator verwendet. Damit der Generator funktioniert, müssen die Schüler eine switch-case-Verzweigung implementieren: BOB3 soll zufällig in verschiedenen zeitlichen Abständen unterschiedlich starke Blitze erzeugen! Die Schülerlösung wird vom Agenten überprüft und sobald diese einwandfrei funktioniert, kann der Generator aktiviert werden:



Blitzlicht-Gewitter-Generator






Ablauf Die Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt 13 und lernen das Konzept und die Anwendungs-möglichkeiten von while-Schleifen kennen:

„Eine while-Schleife dient zur wiederholten Durchführung:“

Die SuS lernen die Kontrollstruktur while-Schleife kennen: Diese wird verwendet, um einen bestimmten Programmteil mehrfach zu wiederholen. Sie ermöglicht, dass in Abhängigkeit von einer Bedingung bestimmte Anweisungen solange immer wieder ausgeführt werden, bis die

Bedingung nicht mehr erfüllt ist. Die Bedingung wird am Anfang der Schleife, also vor dem ersten Durchlauf geprüft. Falls die Bedingung schon bei der ersten Prüfung falsch ist, wird die Schleife gar nicht ausgeführt.

8. UnterrichtseinheitIn der achten Unterrichtseinheit bearbeiten die Schüler das Kapitel „Alarmanlage“ und das Arbeitsblatt 13 - ‚While-Schleife‘. Sie beschäftigen sich in drei Lerneinheiten mit dem Konzept der While-Schleife als Struktur zur wiederholten Durchführung und lernen Endlosschleifen und das Konzept von break-Anweisungen kennen.

Die Schüler lernen, dass eine while-Schleife auch als Endlosschleife verwendet werden kann und verstehen anhand eines Programmierbeispiels mit einem Warnblinklicht, wie sie diese programmieren können und wann dieses Konstrukt nützlich ist.



Was ist eine Endlosschleife?

Sobald der Alarm ausgelöst wurde (Bedingung in Zeile 5 erfüllt), startet ein Warnblinklicht mit den weissen Bauch-Leds in einer Endlosschleife! Macht das Sinn? Ja, denn wenn der Alarm einmal ausgelöst wurde, dann soll Bob blinken und nicht mehr aufhören!

Die break-Anweisung

„Login“

Im zweiten Teil des Arbeitsblatts lernen die Schüler die break-Anweisung kennen, die nicht nur bei while-Schleifen sondern auch in anderen Schleifen verwendet werden kann. Die break-Anweisung steht irgendwo innerhalb der Schleife und wird meistens in Kombination mit einer if-Abfrage verwendet. Sobald ein bestimmter Zustand eintritt und der Compiler bei der break-Anweisung ankommt, wird die Schleife abgebrochen. Anschließend starten die SuS den Webbrowser, gehen auf die Seite http://www.ProgBob.org, loggen sich mit Ihrem Account ein und gehen zum „Intro-III“-Kapitel:

Anhand des Programmierbeispiels ‚Alarmanlage‘ vertiefen die Schüler das neu erlernte Konzept der while-Schleife zur wiederholten Durchführung. Die zu programmierende Alarmanlage startet in einer einfachen Version, die in den anschließenden Einheiten immer weiter, bis hin zu einer Alarmanlage mit einer Reset-Funktion, ausgebaut wird:



Die Schüler programmieren BOB3 so, dass er mit seinem IR-Sensor auf Objekte aufpassen kann und sofort bemerkt, wenn eine Hand die Objekte klaut. Im ersten Beispiel prüft die while-Schleife den Ausdruck 1 == 1, was immer true ergibt, weil es stimmt. Daher werden jetzt als Endlosschleife die Zeilen 8 bis 11 ausgeführt, bei BOB3 blinken jetzt für immer die beiden Bauch-Leds!

Macht das Sinn?Die Schüler diskutieren die Sinnhaftigkeit der Aufgabenstellung und kommen zu dem Ergebnis, dass ein einmal ausgelöster Alarm nicht von selber wieder aufhören soll!

Im dritten Teil der Lerneinheit erweitern die SuS ihr Programm um eine Profi-Reset-Funktion, damit der jeweilige Besitzer der Objekte z.B. bei einem Fehlalarm den Bob in die Ausgangslage zurücksetzen kann. Hierbei wiederholen die SuS ihr Wissen über logische Operatoren.

In der dritten Ausbaustufe des Programms bauen die Schüler eine Reset-Funktion ein, damit der Alarm bei Bedarf wieder neu gestartet werden kann. Nach Auslösung des Alarms blinkt BOB3 mit allen LEDs. Sobald dann beide Arme gleichzeitig berührt werden, wird das Blinken sofort ausgeschaltet. Nach einer zweisekündigen Pause wird der Alarm automatisch wieder scharfgeschaltet und Bob wartet auf den nächsten Dieb:



Die Schüler lösen folgende Aufgabe: Falls Arm 1 und Arm 2 gleichzeitig berührt werden, dann soll das Blinken stoppen, die while-Schleife soll mittels einer break-Anweisung verlassen werden und anschließend soll Bob wieder in die Ausgangsposition zurückgesetzt werden. In der Umsetzung arbeiten die SuS mit einer &&-Verknüpfung der beiden Sensor-Abfragen:

(if ( (bob3.getArm(1)>0) && (bob3.getArm(2)>0) ){ break;}

Einbau einer Reset-Funktion

Anschließend bearbeiten die Schüler die Aufgaben 1-6 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen. Die Aufgaben eins bis vier thematisieren die Anzahl der Durchläufe verschiedener while-Schleifen. In der fünften Aufgabe wird ein konkretes Programm mit einer break-Anweisung dargestellt. Die SuS haben die Aufgabe zu entscheiden, welche Zeile nach dieser

break-Anweisung ausgeführt wird. Die sechste Aufgabe des Arbeitsblattsthematisiert ein Anwendungsbeispiel. Die SuS sollen überlegen, was dasProgramm macht: ‚Betrachte das folgende Programm. Für welchen Zweckkönnte man es verwenden? Schreibe deine Ideen auf!‘

9. UnterrichtseinheitIn der neunten Unterrichtseinheit vertiefen die Schülerinnen und Schüler die erlernten Konzepte mit dem „Photo-Flash“-Kapitel, das als Anwendungsbeispiel ausgelegt ist: Die Schüler programmieren BOB3 so, dass er den Selbstauslöser und das Blitzlicht eines Fotoapparats simuliert. Sobald beide Armsensoren gleichzeitig berührt werden, startet der Selbstauslöser gefolgt von einem Blitzlicht. Anhand dieses Beispiels aus der Erlebniswelt der Schüler werden die Programmierstrukturen ‚if-else Verzweigungen‘, ‚for-Schleifen‘, Arbeiten mit Variablen, mit Funktionen und Rückgabewerten vertieft. Zusätzlich wiederholen die SuS die Verwendung von logischen Operatoren und Bedingungsprüfungen.





Material: PC/Laptop/Tablet, BOB3 mit Helm/Dock

Ablauf Die SuS starten den Webbrowser, gehen auf die Seite http://www.ProgBob.org, loggen sich mit Ihrem Account ein und gehen zum Kapitel „Photo-Flash“:

„Login“

In den folgenden Lerneinheiten entwickeln die Schüler stufenweise das Programm:Zunächst wird die Berührung von Armsensor 1 abgefragt und die Schüler speichern den Rückgabewert in einer Integer Variablen. Als Anzeige für Berührung/keine Berührung wird das Auge 1 ein- bzw. ausgeschaltet. Dies implementieren die Schüler mit einer if-else-Abfrage. Anschließend programmieren die Schüler selbstständig die Anzeige für Berührungen an Armsensor 2 und verwenden erneut die gelernten Programmierstrukturen.



Den Selbstauslöser implementieren die SuS mittels einer if-else-Verzweigung und der Verwendung von Vergleichsoperatoren und des logischen UND-Operators. Zur Vertiefung des Wissens zur Verwendung von Operatoren bearbeiten die Schüler anschließend eine passende Wissensabfrageeinheit.

Im vierten Teil wird das Programm um ein Aktivierungs-Blinken ergänzt, um anzuzeigen, dass der Selbstauslöser gestartet wurde. In der fünften und letzten Lerneinheit erweitern die SuS ihr Programm um eine neue Funktion zur Simulation des Blitzlichts. Die Funktion blitz() wird mit den LEDs umgesetzt, die gleichzeitig weiß aufblitzen. Das fertige Programm sieht dann so aus:



Definition der Funktion blink()→ Implementation mittels for-Schleife

Definition der Funktion blitz()→ Implementation mittels einer 50-Millisekunden Verzögerung

Deklaration der Variablen wert1 und wert2 zur Speicherung der Sensordaten

Auswertung der Rückgabewerte der Armsensoren mit einer if-else-Struktur

Implementation des Selbstauslösers → Umsetzung mittels if-Abfrage und einer Verknüpfung aus Vergleichsoperatoren und logischen Operatoren

Aufruf der Funktion blink()mit anschließender Verzögerung

Aufruf der Funktion blitz()

10., 11. und 12. UnterrichtseinheitIn der zehnten, elften und zwölften Unterrichtseinheit beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler vertieft mit dem IR-Sensor des Roboters. Das Arbeitsblatt 14 thematisiert den Aufbau und die Funktion des Sensors und behandelt insbesondere das verwendete Reflexionsverfahren. Die SuS lernen, dass der Sensor sowohl berührungslos Objekte detektieren und nah und fern unterscheiden kann, als auch als Detektor für Tageslicht verwendet werden kann. Diese verschiedenen Einsatzbereiche können anschaulich als Sende- und Empfangssignale des Sensors am Oszilloskop veranschaulicht werden (siehe Arbeitsblatt). Als Anwendungsbeispiele programmieren die SuS einen Parksensor als Assistenzsystem und einen Tageslichtsensor, der z.B. in Smart-Home-Anwendungen zum Einsatz kommen kann.






Ablauf Die Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt 14 und intensivieren das Verständnis für Aufbau, Funktion und programmiertechnische Ansteuerung des IR-Sensors:

„BOB3‘s Infrarotlicht-Sensor:“

ir ir

Die Schüler lernen zunächst, dass der IR-Sensor aus zwei Teilen besteht, die verschiedene Aufgaben übernehmen: Eine IR-Sende-LED sendet Infrarotlicht aus und ein IR-Empfänger dient zur Detektion von IR-Licht.



Die Schüler lernen, dass die Detektion von nah oder fern nach dem Reflektionsverfahren funktioniert: Die IR-Sende-LED sendet IR-Licht aus, dieses trifft dann auf ein Objekt oder ein Hindernis (z.B. ein Blatt Papier oder eine Hand), wird von dem jeweiligen Objekt zurückreflektiert und kann so von dem IR-Empfänger empfangen werden. Je näher das Papier vor dem Sensor ist, desto mehr IR-Licht detektiert der IR-Empfänger. Falls das Papier weiter entfernt vom Sensor ist, wird wenig reflektiertes IR-Licht detektiert.

Anhand des Anwendungsbeispiels ‚Parksensor‘ diskutieren und vertiefen die SuS das erlernte Reflexionsverfahren:

Fall 1) IR-Sensor detektiert kein Hindernis/Auto

→ LEDs grün, freie Fahrt!Fall 2) IR-Sensor detektiert ein etwas entferntes Hindernis/Auto

→ LEDs orange, langsamer fahren und aufpassen!

Fall 3) IR-Sensor detektiert ein nahes Hindernis/Auto

→ LEDs rot, STOP!

IR-LichtPapier

IR-Sende-LED

IR-Empfänger

Der Bob von oben

Das Reflexionsverfahren

Die Signale der IR-Sende-LED und des IR-Empfängers lassen sich sehr gut mit einem Oszilloskop veranschaulichen. In den folgenden Grafiken sieht man als obere Kurve das Signal des IR-Empfängers und als untere Kurve das Sende-Signal der IR-LED:

Messverfahren

Szenario 1: Keine Reflexion, kein Tageslicht



Um das Messverfahren im Detail verstehen zu können, besprechen die Schüler die drei Szenarien: – Keine Reflexion, kein Tageslicht – , – Reflexion an einer Hand, kein Tageslicht – und – Keine Reflexion, Tageslicht –

Zur Ansteuerung des IR-Sensors stehen in der Software-Bibliothek des BOB3 fertig implementierte Methoden zur Verfügung. Die Schüler beschäftigen sich mit der genauen Bedeutung der verschiedenen Methoden und deren Rückgabewerten und Parametern:

Software-Bibliothek

Methode Bedeutung Rückgabewert/Parameter

bob3.getIRSensor() Liefert den Wert des IR-Reflexions-Sensors

0 - 255

bob3.getIRLight() Liefert den Wert des IR-Umgebungslichts

0 – 255255: direktes Sonnenlicht0: Dunkelheit

bob3.enableIRSensor(enable) Aktiviert bzw. deaktiviert den IR-Reflexions-Sensor

enable: 1 aktiviert→ 0 deaktiviert→

bob3.receiveMessage(timeout) Empfängt eine IR-Message 0 – 255 / -1 bei keinem Signaltimeout: Millisekunden, die gewartet werden sollen

bob3.transmitMessage(message) Sendet eine IR-Message Message: 0 – 255, Zahl, die übertragen werden soll

Die Schüler bearbeiten Aufgaben 1 – 4 + 6 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen.

Szenario 2: Reflexion an einer Hand, kein Tageslicht Szenario 3: Keine Reflexion, Tageslicht

Die Lerneinheit enthält eine offene Aufgabe aus der Erlebniswelt der Schüler, um die bisher gelernten Konzepte und Strukturen zu vertiefen und anzuwenden: Die Schüler bekommen die Aufgabe, BOB3 so zu programmieren, dass er als Parkassistenzsystem verwendet werden kann.



Die Schüler diskutieren zunächst, was ein Parkassistenzsystem ist und welche konkreten Eigenschaften solch ein System bietet. Anschließend entwickeln sie Lösungsansätze für die Umsetzung mit BOB3.

Programmierung eines Parksensors

Die SuS starten den Webbrowser, gehen auf die Seite http://www.ProgBob.org, loggen sich mit Ihrem Account ein und gehen zum Kapitel „Sense“:

„Login“



Meilenstein 1:Deklaration einer Integer Variablen, Abfrage des aktuellen Sensorwerts mittels der Methode bob3.getIRSensor() und Speicherung des Rückgabe-werts der Methode in der Variablen

Meilenstein 2:Implementation einer if-else-Struktur zur Unterscheidung der Fälle 1) Hindernis zu nah2) kein Hindernis Verwendung der Variablen mittels Vergleichsoperatoren

Die Schüler werden in Gruppen eingeteilt und erarbeiten konkrete Lösungsansätze für das Problem. Sie teilen das Hauptaufgabe in verschiedene zu lösende Teilaufgaben und entwickeln so Meilensteine, die die Gruppen jeweils individuell umsetzen:

Offene Aufgabe - Parksensor

Meilenstein 3:Erweiterung der if-else-Struktur zur Unterscheidung eines dritten Falls:1) Hindernis zu nah2) kein Hindernis3) Hindernis in Sicht, Abstand in Ordnung

Meilenstein 4:Implementation einer neuen Funktion blitzen(), ohne Parameter und ohne Rückgabewert, Aufruf der Funktion innerhalb der loop()-Funktion

Die Schüler lernen, dass Tageslicht aus IR-Licht, also aus sichtbarem Licht und aus UV-Licht besteht. Glühlampen haben einen IR-Anteil, einen sichtbaren Anteil und einen UV-Anteil.LED-Lampen und Neonröhren haben dagegen nur einen sichtbaren Anteil! BOB3 detektiert also mit dem IR-Sensor den IR-Anteil im Tageslicht und kann so dunkel und hell unterscheiden. Sobald der Sensor feststellt, dass es dunkel ist, sollen alle LEDs eingeschaltet werden. Dies ist eine typische Smart-Home Anwendung einer automatischen Beleuchtung.



Zur Programmierung verwenden die SuS die Funktion bob3.getIR-Light() und speichern den abgefragten Sensorwert in einer Integer Variablen. Mittels einer if-else Abfrage wird die Auswertung implementiert: Je nach Sensorwert werden die LEDs ein- oder ausgeschaltet.

Die Lerneinheit ‚Programmierung eines Tageslichtsensors‘ enthält die Aufgabe, BOB3 so zu programmieren, dass er mithilfe seines IR-Sensors detektiert, ob er sich im Dunkeln oder im Tageslicht befindet. Zunächst lernen die Schüler, welche verschiedenen Lichtarten es gibt und wie diese sich unterscheiden:

Smart-Home Anwendung – Tageslichtsensor

Die Schüler bearbeiten die Aufgabe 5 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen.



Die Schüler testen ihre implementierte Lösung und diskutieren, warum die Variable grenzWert als globale Variable und nicht als lokale Variable definiert wird. Abschließend bearbeiten die Schüler die passende Wissensabfrageeinheit.

Differenzierung – Grenzwerte manuell setzenZur weiteren Differenzierung kann das Programm von den Schülern so erweitert werden, dass die Lichtempfindlichkeit über das Berühren von Arm 2 gesteuert wird:Die Schüler deklarieren eine globale Variable grenzWert und initialisieren diese mit dem Wert 10. Immer, wenn Arm 2 oben berührt wird, soll die Variable grenzWert um 10 erhöht werden. Wenn Arm 2 unten berührt wird, soll die Variable grenzWert jeweils um 10 vermindert werden.

Documents

2 3 ' ' 4 2 · c ( . ! * 2 !(9 2 / % '%